可用于軌道車輛狀態(tài)監(jiān)控的歐洲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施
——GAIA-X平臺

1 背景

為實現(xiàn)軌道車輛的預(yù)測性維修、提高其可用性，鐵路運營商和制造商通常會在軌道車輛上安裝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的功能是利用與車輛控制系統(tǒng)的接口以及其自身安裝的傳感器采集車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過無線通信的方式將其傳輸至中央數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。中央數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施中的數(shù)據(jù)庫可提供從模式識別、知識生成到基于海量數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)的復(fù)雜預(yù)測等新型數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)，從而使車輛維修部門的維修決策更科學(xué)、維修策略更優(yōu)化。

因此，歐洲各國近年來開發(fā)建設(shè)了大量鐵路專用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，但由于缺乏統(tǒng)一標準，導(dǎo)致建設(shè)和運營過程中存在以下問題。

（1）技術(shù)方面。由于各數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施所使用的數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，相關(guān)數(shù)據(jù)不能直接比較或重復(fù)使用。

（2）組織方面。制造商為獲得并保持其競爭優(yōu)勢，對披露接口規(guī)范持保留態(tài)度，導(dǎo)致缺乏統(tǒng)一接口規(guī)范，難以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交換。

而解決上述問題的關(guān)鍵在于：

（1）通過標準化消除技術(shù)障礙，即實現(xiàn)技術(shù)接口的標準化、公開化；

（2）通過建立新的商業(yè)模式消除組織障礙，即實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施間的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)服務(wù)共享。

2 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)

對軌道車輛的狀態(tài)監(jiān)控通常通過IoT 系統(tǒng)實現(xiàn)。圖 1展示了IoT 系統(tǒng)的基本架構(gòu)。其主要由以下部分組成。

圖1 IoT 系統(tǒng)基本架構(gòu)

（1）邊緣計算設(shè)備。即軌道車輛上收集數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)預(yù)處理并將其傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備。其涉及的數(shù)據(jù)包括傳感器采集數(shù)據(jù)及來自不同車輛控制系統(tǒng)的信息。

（2）通信設(shè)備。即連接各邊緣計算設(shè)備與中央數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備，其采用各種傳輸介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸，包括無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍牙、無線電以及不同的通信協(xié)議。

（3）中央數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。其作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)池等多種形式，具有數(shù)據(jù)處理所需的計算能力、軟件。

（4）大數(shù)據(jù)分析模塊。即用于從采集數(shù)據(jù)中獲得經(jīng)驗和知識的模型。

目前，若采用單一IoT 系統(tǒng)，則存在數(shù)據(jù)只能在該系統(tǒng)中使用的風(fēng)險，因為制造商只提供自己的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和分析平臺，忽略了通過接口向外部系統(tǒng)提供服務(wù)。而利用數(shù)據(jù)創(chuàng)造價值不能僅限于一次性的分析，IoT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)必須與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)鏈接、交互，確保其廣泛的可用性，才能充分發(fā)掘其價值。

3 歐洲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施 GAIA-X 平臺概述

為解決上述問題，以法國、德國為代表的歐盟國家從2018 年起致力推進旨在創(chuàng)建通用數(shù)據(jù)及云基礎(chǔ)設(shè)施的 GAIA-X 項目。該項目的目標是構(gòu)建一個符合歐洲數(shù)據(jù)保護標準、多樣化且安全的數(shù)據(jù)交換及處理生態(tài)系統(tǒng)，通過內(nèi)部透明的網(wǎng)絡(luò)、提供硬件和軟件服務(wù)的聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)施以及共同的身份驗證系統(tǒng)，將不同的參與者聯(lián)結(jié)在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與共享。該項目的建設(shè)成果為GAIA-X 平臺，包括數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)、認證和信任系統(tǒng)3 部分。

3.1 數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)是GAIA-X平臺提供的可用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)所有者、加工者及使用者可在其中免費或者通過彼此之間的簡單協(xié)議共享數(shù)據(jù)。在這里，由數(shù)據(jù)所有者決定數(shù)據(jù)的處理方式和處理者，這使多方共享數(shù)據(jù)成為可能，也使數(shù)據(jù)所有者可以更輕松地進行組合報價。

圖2 展示了在GAIA-X 數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中各參與者之間的合作關(guān)系。可利用對列車車門系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控的示例對各參與者進行說明。

圖2 GAIA-X 數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)

（1）車門系統(tǒng)制造商（圖2 中的淺藍色圓圈）為其產(chǎn)品安裝用于采集和提供狀態(tài)數(shù)據(jù)的診斷設(shè)備，并根據(jù)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品監(jiān)控和改進。

（2）車輛制造商（圖2 中的綠色圓圈）將車門集成到車輛和更高級別的診斷設(shè)備中。所有集成組件的數(shù)據(jù)都將被采集并傳輸給車輛制造商。

（3）車輛運營商（圖2 中的紅色圓圈）提供運輸服務(wù)。為確保車輛可靠地定期運行，其需要獲取車輛及其組件的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（4）維修中心（圖2 中的黃色圓圈）接收車輛運營商和制造商的維修訂單，執(zhí)行維修工作。其綜合數(shù)據(jù)庫可為備件物流提供支持，并且有助于簡化維修過程。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)

基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)是指 GAIA-X 平臺內(nèi)由各種參與者提供的一系列服務(wù)。其基本組成部分為節(jié)點、服務(wù)、服務(wù)實例、數(shù)據(jù)資產(chǎn)，如圖3 中的灰色框所示。

圖3 GAIA-X 基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)

（1）節(jié)點是指數(shù)據(jù)處理資源，如數(shù)據(jù)存儲設(shè)備或服務(wù)器。

（2）服務(wù)是指云服務(wù)產(chǎn)品，如分析軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

（3）服務(wù)實例是指在特定數(shù)據(jù)處理資源（即節(jié)點）上執(zhí)行的特定服務(wù)。

（4）數(shù)據(jù)資產(chǎn)包括計算單元、存儲單元等，負責在GAIA-X 平臺中提供數(shù)據(jù)。服務(wù)實例可調(diào)用數(shù)據(jù)資產(chǎn)，并對數(shù)據(jù)進行補充、分析和呈現(xiàn)。

各個提供技術(shù)組件及軟、硬件集成的參與者在圖3中以藍色圓圈標示。GAIA-X 平臺匯聚了跨公司、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)及其相關(guān)產(chǎn)品，為參與者的聯(lián)合奠定基礎(chǔ)，以便使不同來源的產(chǎn)品、服務(wù)能夠相互融合。

3.3 認證和信任系統(tǒng)

為實現(xiàn)跨公司、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)鏈接與共享，GAIA-X平臺提供運營數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)所必需的聯(lián)邦服務(wù)，包括數(shù)據(jù)交換服務(wù)、身份驗證及信任系統(tǒng)、訪問系統(tǒng)，以及GAIA-X 平臺中可用服務(wù)的目錄。這些服務(wù)均開放源碼，所有參與者可免費使用。GAIA-X 平臺中，通過自我描述、政策和上傳流程等方式確保組件和數(shù)據(jù)的可信度。

（1）自我描述是對基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)組件基本屬性的歸類和描述，如標識符、所有者、包含組件等。

（2）政策用于規(guī)范組件和數(shù)據(jù)的使用。例如，數(shù)據(jù)所有者可以利用政策指定其數(shù)據(jù)的處理者和使用者。

（3）上傳流程是指將組件的自我描述傳輸?shù)紾AIA-X 平臺中央監(jiān)控系統(tǒng)進行核查，并在符合要求的情況下為其頒發(fā)GAIA-X 證書。在獲取證書后，該組件則可在GAIA-X 平臺中使用。

4 將軌道車輛集成到 GAIA-X平臺

對于新購軌道車輛及其組件，若其具備與GAIA-X平臺兼容的軟硬件條件，則可容易地集成到GAIA-X 基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)中。然而，由于軌道車輛的生命周期通常較長（30～60 年），如何將已服役的大量軌道車輛整合到GAIA-X 基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)系統(tǒng)中，是一個亟待解決的問題。

將車輛相關(guān)數(shù)據(jù)納入GAIA-X 數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)資產(chǎn)的支持。因此，車輛上的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須包含作為集成或附加組件的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。這一點可通過2 種方法實現(xiàn)：其一，在設(shè)計新物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，將相關(guān)組件作為GAIA-X 數(shù)據(jù)資產(chǎn)集成到新系統(tǒng)中；其二，對于無法更改組件的現(xiàn)有車輛系統(tǒng)，通過附加組件——網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)集成，網(wǎng)關(guān)負責從現(xiàn)有系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)并使其在GAIA-X數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中可用（圖4）。

圖4 兼容GAIA-X 平臺的車輛系統(tǒng)構(gòu)架

4.1 將組件作為 GAIA-X 數(shù)據(jù)資產(chǎn)集成到新系統(tǒng)中

在這種情況下，車輛物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的所有組件都在GAIA-X 平臺架構(gòu)中運行（圖4 左）。邊緣計算設(shè)備成為數(shù)據(jù)資產(chǎn)，負責提供恒定數(shù)據(jù)流；中央數(shù)據(jù)存儲設(shè)備成為服務(wù)實例，負責收集、存儲、提供來自邊緣計算設(shè)備的數(shù)據(jù)。其優(yōu)點在于，邊緣計算設(shè)備可為多個服務(wù)實例（并行）提供數(shù)據(jù)支持，這不僅使中央數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的更換更容易，還允許將數(shù)據(jù)從邊緣設(shè)備分發(fā)到多個服務(wù)實例。此外，大數(shù)據(jù)分析模塊等其他組件也可成為服務(wù)實例，從而更有利于數(shù)據(jù)的交互。通過使用GAIA-X 平臺身份驗證和傳輸系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)可連接性和數(shù)據(jù)傳輸效率。

4.2 通過網(wǎng)關(guān)將現(xiàn)有系統(tǒng)接入 GAIA-X 平臺

在這種情況下，需要一個外部組件作為連接GAIA-X 平臺的網(wǎng)關(guān)。該組件屬于數(shù)據(jù)資產(chǎn)，連接現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器，負責響應(yīng)來自GAIA-X 平臺的數(shù)據(jù)請求、為其提供現(xiàn)有系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)（圖4 右）。采用此種方法的優(yōu)點在于可以在現(xiàn)有系統(tǒng)具有合適數(shù)據(jù)接口的條件下擴展現(xiàn)有系統(tǒng)的功能；缺點在于邊緣計算設(shè)備不能被其他服務(wù)實例直接調(diào)用。因此，不建議將此方法用于新系統(tǒng)的開發(fā)。

5 結(jié)語

GAIA-X 平臺的建立有利于克服目前軌道車輛狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)和組織障礙，實現(xiàn)數(shù)據(jù)所有者、處理者、使用者之間的數(shù)據(jù)交互和共享，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式識別軌道車輛設(shè)計和維護方面的改進潛力，并據(jù)此提出提高車輛可用性的措施。